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Pesquisador da Poli-USP desenvolve sistema de simulação que viabiliza aumento da eficiência de motor

Em seu doutorado, Francisco José Profito desenvolveu um software que simula o contato entre superfícies lubrificadas

Uma forte tendência na indústria automobilística é melhorar a eficiência dos motores de combustão interna, reduzindo ao máximo as perdas de energia durante o funcionamento do veículo. Uma das principais fontes de dissipação de energia é o atrito decorrente do contato entre os diversos componentes mecânicos presentes em automóveis, motocicletas e veículos de grande porte. Francisco José Profito desenvolveu em seu doutorado na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) uma plataforma computacional que, através de simulação numérica, avalia as perdas por atrito e o desgaste entre superfícies lubrificadas. Esta metodologia de análise viabiliza o desenvolvimento de motores energeticamente mais eficientes, com impacto direto na redução do consumo de combustível e na emissão de gases poluentes.

O programa de simulação é uma das contribuições de sua tese de doutorado, que acaba de conquistar a menção honrosa na categoria Engenharia do Prêmio Tese Destaque USP de 2016. Ele foi orientado pelo professor Demetrio Cornilios Zachariadis, do Departamento de Engenharia Mecânica (PME-EPUSP), e desenvolveu sua pesquisa no Laboratório de Fenômenos de Superfícies (LFS-EPUSP). O pesquisador recebeu suporte financeiro do consórcio “Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel – TriboFlex” (Projeto PIT/FAPESP 2009/54891-8), e também da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), por meio do programa Ciência Sem Fronteiras. Este último, foi responsável pelo financiamento de parte do projeto de doutorado, realizado no internacionalmente renomado grupo de Tribologia do Imperial College London (Inglaterra).

O foco principal do trabalho consiste em aplicações envolvendo mancais hidrodinâmicos. Mancais são elementos de máquinas cuja função básica é limitar o movimento das diferentes partes móveis de um dado sistema mecânico, permitindo, dessa forma, a sustentação das cargas atuantes e/ou a transmissão de potência com máxima eficiência (baixo atrito), durabilidade (desgaste reduzido) e confiabilidade. Há vários tipos de mancais hidrodinâmicos. Profito trabalhou com mancais hidrodinâmicos radiais, ou seja, aqueles que apresentam algum tipo de fluido lubrificante entre as superfícies de um eixo e da estrutura que delimita o mancal. Neste caso, a lubrificação tem como uma das funções reduzir as perdas mecânicas causadas pela força de atrito gerado entre as superfícies.

“Minha pesquisa focou na modelagem matemática dos fenômenos físicos que ocorrem no contato entre as superfícies”, conta Profito. “Existem leis físicas que tentam representar esses fenômenos por meio de equações matemáticas. Ao fazer isso, é possível prever, com algum grau de confiança, o comportamento do sistema em condições hipotéticas, sem o sistema existir, eventualmente”, completa. Ele usou a abordagem de modelagem matemática para descrever, por meio de equações matemáticas, o que ocorre na região de contato entre as superfícies do eixo e o mancal. Para resolver as equações, criou um programa computacional que simula o mancal real.

“Com o programa de simulação baseado nos modelos matemáticos, é possível projetar um novo sistema. Posso responder perguntas como o que acontece se fizer um mancal de diferente geometria ou se mudar o tipo de óleo antes mesmo de construir um protótipo físico e fazer testes”, explica. O simulador gera resultados numéricos, gráficos e vídeos que indicam a melhor configuração do sistema em termos de geometria, material, óleo lubrificante, acabamento de superfície, entre outros, ideais para o mancal a ser projetado. A partir desses resultados, a etapa seguinte do projeto segue para a elaboração de modelos 3D e a fabricação de protótipos para teste em condições reais.

Segundo o professor Demetrio Zachariadis, o simulador é uma ferramenta muito útil para aplicação na indústria automotiva. “O motor precisa ser eficiente, render o máximo possível com o menor consumo de combustível e desgaste de componentes. E quanto menos combustível, menos emissões de poluentes na atmosfera e mais economia para o usuário, seja com o combustível, seja com a manutenção do veículo”, ressalta.

Estudos de caso

Profito fez dois estudos de caso para testar seu programa de simulação. Em um deles, analisou o mancal de biela de motores pesados para veículos a diesel. “Com essa simulação, identifiquei alguns pontos na superfície do mancal com contato metal-metal, e como a variação dos carregamentos influenciava o comportamento do sistema em situações específicas ao longo do ciclo do motor”, afirma. Ele verificou que havia regiões do mancal com espessura de filme de óleo insuficiente para evitar o contato direto entre as superfícies, especialmente durante a combustão em que as cargas atuantes no sistema são muito elevadas.

No outro estudo de caso foi analisado o mancal de biela de um motor de alto desempenho de uma motocicleta esportiva italiana. Nesse caso, ele conseguiu mostrar que o software desenvolvido foi capaz de avaliar três tipos de óleos lubrificantes que estavam sendo analisados pela equipe do Imperial College London. “O meu modelo captou a diferença de desempenho entre os três lubrificantes analisados, mostrando que o simulador pode ser utilizado em projetos de inovação tecnológica da indústria”, aponta.

Em sua tese, foi demonstrado que o programa desenvolvido também pode ser aplicado para solucionar diversos outros problemas relacionados a lubrificação de sistemas mecânicos. Caso alguma empresa se interesse em usar a plataforma de simulação desenvolvida, basta entrar em contato com o Laboratório de Fenômenos de Superfícies (LFS) da Poli-USP pelo site http://www.lfs.usp.br/. “Temos todo interesse em trabalhar em cooperação com o setor privado, por meio de projetos de pesquisa que propiciem o desenvolvimento científico e tecnológico, a formação de recursos humanos e a transferência do conhecimento produzido na academia”, finaliza Profito.